CN112436198A - 构造用于结束不符合期望的热事件的电池组 - Google Patents
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Abstract
构造用于结束不符合期望的热事件的电池组。本发明涉及一种电池组（105），该电池组包括至少一个电化学电池（110），其中该电化学电池（110）具有阳极（10）和阴极（20）以及布置在阳极与阴极之间的电解质材料（15），其中该电池组（105）被构造为：作为对不符合期望的热事件（200）的响应，触发在活性材料（10、15、20）中的吸热反应（240）。本发明还涉及一种汽车以及一种用于结束（250）不符合期望的热事件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池组，该电池组包括至少一个电化学电池，其中该电化学电池具有阳极和阴极以及布置在阳极与阴极之间的电解质材料，其中该电池组被构造为：作为对不符合期望的热事件的响应，触发在活性材料中的吸热反应。本发明还涉及一种汽车以及一种用于结束不符合期望的热事件的方法。
背景技术
从现有技术公知：电池组模块可以由多个单独的电池组电池所组成，这些电池组电池可以彼此导电串联和/或并联。
为了使电池组电池在优选的温度范围内运行，为此还公知：电池组模块可包括冷却系统，该冷却系统尤其应该导致这些电池组电池不超过预先给定的温度。
而如果这些电池组电池超过该预先给定的安全关键的温度，则这可能导致电池组电池的被称作“热失控（thermal runaway）”或者也被称作“传播（Propagation）”的失控。
DE 10 2017 206 560 A1描述了一种具有至少一个电池组电池的电池组模块，其中该电池组模块还包括与该电池组电池导热连接的防传播元件，该防传播元件构造为使得在超过该至少一个电池组电池的温度的特定的值时在该防传播元件之内进行的吸热过程吸收由该至少一个电池组电池释放的热量。
US 2013/0312947 A1描述了一种具有热集成消防装置的电池组管理系统，该电池组管理系统包括：外壳；在该外壳中的多个单独的电池组电池；在该外壳中在所述多个单独的电池组电池之内或之间的多个冷却通道；多个传感器，所述多个传感器以符合生产技术条件的方式与这些单独的电池组电池连接，其中这些传感器被适配用于检测热失控，所述热失控涉及所述多个单独的电池组电池中的一个或多个电池组电池；和管理系统，该管理系统被适配用于当通过所述多个传感器之一检测到该热失控时将冷却剂注入所述多个冷却通道中的至少一个冷却通道中，使得该热失控快速被消除。
此外，在现有技术中到目前为止已讨论过微通道冷却（WO 2014/190180 A1）和对抵消放热的物质的外部释放（DE 10 2012 204 033 A1）和冷却液的释放（US 2010/0136391A1）。
关机隔离器、被动电熔丝或者水凝胶无法主动被操控。微通道冷却的效果或者冷却液或通过吸收热能来抵消放热的其它物质的释放发生在外部而不是在电池组的内部。
发明内容
现在，本发明所基于的任务在于：提供一种电池组，该电池组有效地结束或者甚至防止不符合期望的热事件。
该任务通过一种电池组来解决，该电池组包括至少一个电化学电池，其中该电化学电池具有阳极和阴极以及布置在阳极与阴极之间的电解质材料，其特征在于，该电池组被构造为：作为对不符合期望的热事件的响应，触发在活性材料中的吸热反应。
结合本发明，电池的电化学功能材料被称作活性材料。该电化学功能材料尤其是阳极、电解质材料和阴极。
结合本发明，超过在至少一个电池组电池中的预先给定的安全关键的温度和由此造成的在至少一个电池组电池中的被称作“热失控（thermal runaway）”或“传播（Propagation）”的失控被描述为不符合期望的热事件。
不同于从现有技术中公知的用于结束不符合期望的热事件的解决方案，在本发明的情况下直接在活性材料中触发吸热反应。换言之，吸热反应的位置就是生热或热传播的位置。经此，散热特别高效地进行。不需要在电池之外或之内的花费高的附加装置。
本发明的原理可以总结如下：
在锂离子电池中的能以电或电子方式来控制的装置根据信号将物质推入到电池的活性材料中，由此触发吸热的化学反应，所述吸热的化学反应应该防止或延缓或减轻在该电池中的热失控。
如已经描述的那样，结合本发明，该活性材料是电池的电化学功能材料。按照本发明的一个实施方式，即该活性材料也包括电极材料。该活性材料尤其是阳极、电解质材料和阴极。使吸热反应不仅仅限于电解质材料而是也包括阳极和阴极在内具有如下优点：在不符合期望的热事件的情况下的放热通过在整个电池内的吸热反应来被减少。
另一方面，在将物质引入到电极材料中时，并不能完全排除对电极的损坏。因而，按照另一优选的实施方式，该活性材料只是电解质。在该实施方式中，吸热反应没有发生在电极材料、即阳极或阴极之内。这尤其具有如下优点：功能上特别重要的电极免于对于吸热反应来说所需的物质引入。
还描述了一个实施方式，其中吸热反应的反应物基本上已经存在于该活性材料中并且可以作为对不符合期望的热事件的响应而发生反应。即在该实施方式中，仅将唯一一种反应物或者甚至也包括只将引发吸热反应的引发剂或催化剂引入、例如注入电池中就足够。即，对于该反应来说所需的其它反应物已经存在于电池中。优选地，即在该实施方式中吸热反应的反应物已经分布和/或嵌入在该活性材料中。这具有如下优点：在不符合期望的热事件的情况下必须被引入到该活性材料中的反应物的量受限制。借此，相比于在其中作为对不符合期望的热事件的响应而必须将全部反应物引入到该活性材料中的实施方式的情况下，可以在整体上对不符合期望的热事件更快地做出反应。
还描述了一个实施方式，其中吸热反应的反应物没有存在于该活性材料中而是作为对不符合期望的热事件的响应才被引入、例如注入到该活性材料中。如果作为对不符合期望的热事件的响应来将吸热反应的反应物引入到该活性材料中，则该反应物不必已经存在于电池的活性材料中。如果该反应物已经存在于电池的活性材料中，则这可能导致对电池的平衡条件的妨碍。还存在如下危险：即使完全没有不符合期望的热事件，该反应也错误地过早被触发。
还描述了一个优选的实施方式，其中吸热反应的至少一种反应物储存在储存器中，作为对不符合期望的热事件的响应来将该反应物从该储存器引入到该活性材料中。
由于吸热反应的至少一种反应物储存在储存器中，在不符合期望的热事件的情况下将该反应物从该储存器引入到该活性材料中，反应物可以在消耗之后重新被填补以及这些反应物可以根据需要单独地被选择。
还描述了一个优选的实施方式，其中借助于控制装置来控制将反应物引入到电池的活性材料中。
还描述了一个优选的实施方式，其中储存器安装电化学电池的外壳上或安装在电化学电池的外壳中。
由于储存器安装电化学电池的外壳上或安装在电化学电池的外壳中，用于吸热反应的至少一种反应物可以直接被引入到电池的活性材料中。
还描述了一个优选的实施方式，其中吸热反应是低聚反应或缩聚反应。
结合本发明，其中发生单体结合成大分子的反应被称作缩聚反应，其中这些单体带有至少两个反应性官能团。在该反应的情况下，例如分离出简单的、低分子量的反应副产物，如水、醇、氨。
还描述了一个优选的实施方式，其中吸热反应是硅基单体的低聚或缩聚。
按照另一优选的实施方式，吸热反应是硅基单体的例如在形成硅树脂的情况下的低聚或缩聚。
按照另一优选的实施方式，吸热反应能在非质子性介质中执行并且借此与如在电池组的电池中存在的那样的条件兼容。
一种优选的缩合反应例如是如下单体的反应：
RX-SiR''R'''-XR'。
R、R'、R''、R'''彼此无关地被选择并且优选地是有机基团，进一步优选地是烷基和/或烯基，而且尤其是-CH3和/或-C2H5和/或-C6H5。
该反应的结果是，相对应地、视反应条件而定地得到不一样地结合的低聚物或聚合物。
在该上下文中，“彼此无关地被选择”意味着：对于R、R'、R''和R'''来说可以分别是不同的基团。此外，例如在一个单体上的特定的基团也可以被选择得不同于在另一单体上的相同名称的基团。换言之，也可设想的是杂链聚合物，所述杂链聚合物通过按照上述结构之一的第一单体与按照上述结构之一的第二（另一）单体或者必要时也包括其它（另外的）单体的反应而得到。
X优选地是一种必要时被取代的杂原子，尤其是O、S、NR*、PR*。已针对取代基R、R'、R''、R'''所描述的内容适用于作为取代基的基团R*。
R、R'、R''、R'''优选地是有机基团，进一步优选地是烷基和/或烯基，而且尤其是-CH3和/或-C2H5和/或-C6H5。
尤其是，缩聚反应可具有如下形式：
n/2 R'X-SiR2-XR' + n/2 R''(Y)-SiR'''2-(Y)R'' ---> R'X-SiR2-[(Y-)SiR'''2-(Y-)SiR2-]n-XR' + n R'X-(Y)R''。
R、R'、R''、R'''优选地是有机基团，进一步优选地是烷基和/或烯基，而且尤其是-CH3和/或-C2H5和/或-C6H5。
X优选地是一种必要时被取代的杂原子，尤其是O、S、NR*、PR*。已针对取代基R、R'、R''、R'''所描述的内容适用于作为取代基的基团R*。
Y优选地是一种必要时被取代的杂原子，尤其是O、S、NR*、PR*。已针对取代基R、R'、R''、R'''所描述的内容适用于作为取代基的基团R*。
还描述了一个优选的实施方式，其中该电池组是锂离子蓄电池。
锂离子蓄电池是在电化学电池的所有三相中基于锂化合物的蓄电池的上位概念。
与其它蓄电池类型相比，锂离子蓄电池的比能量高而且锂离子蓄电池尤其也被用在具有混合动力驱动的汽车中。
优选地，如下实施方式可以被用作活性材料，即被用作阳极、阴极或电解质。列表不是封闭式的：
负极（在放电时：阳极；在充电时：阴极）的材料优选是：
- 其中发生锂的插入作用的石墨和类似的碳始终仍是最重要的材料
- 还有：纳米晶体的非晶硅（与锂形成合金）
- 还有：如Li4Ti5O12的钛酸锂（在钛酸锂蓄电池的情况下应用）
- 二氧化锡（SnO2）
优选地使用如下材料作为电解质：
- 盐，如六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）或双（草酸）硼酸锂（LiBOB），所述盐溶解在无水非质子性溶剂、诸如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或1,2-二甲氧基乙烷中
- 锂-聚合物蓄电池中的聚合物，所述聚合物由聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）构成
- 氮化磷酸锂（Li3PO4N）
作为正极（在放电时：阴极；在充电时：阳极）的是：
- 钴（III）酸锂（LiCoO2）和类似的层状化合物
- 镍钴锰酸锂，诸如LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2，所述镍钴锰酸锂是由所提到的LiCoO2、由LiNiO2和LiMnO2构成的混合氧化物；一种无锰的变体是氧化物LiNi1-xCoxO2
- 镍钴铝酸锂（“NCA”、LiNiCoAlO2），例如LiNi0.85Co0.1Al0.05O2
- 尖晶石，如LiMn2O4
- 在磷酸铁锂蓄电池中的磷酸铁锂（LiFePO4）
作为隔膜的是：
- 聚烯烃膜
- 具有纳米陶瓷层的聚烯烃膜
- 高纯氧化铝（HPA）隔膜。
还描述了一个优选的实施方式，其中借助于控制单元来触发吸热反应。
按照另一方面，还描述了一种方法，其中该方法包括如下步骤：
- 探测不符合期望的热事件；
- 注入用于吸热反应的反应物。
按照另一方面，还描述了一种汽车，该汽车包括按照本发明的电池组。
本发明的其它优选的设计方案从其余的、在从属权利要求中提到的特征中得到。
只要在个别情况下不另作解释，本发明的在本申请中提到的不同的实施方式就能有利地彼此结合。
附图说明
随后，本发明在实施例中依据所属的附图来阐述。其中：
图1示出了按照本发明的包括电化学电池的电池组；
图2示出了锂离子蓄电池的电化学电池；
图3示出了用于结束不符合期望的热事件的方法步骤；
图4示出了包括按照本发明的具有一个电化学电池的电池组的系统；以及
图5示出了包括按照本发明的具有多个电化学电池的电池组的系统。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的包括电化学电池110的电池组105。电化学电池110具有阳极10和阴极20以及布置在阳极与阴极之间的电解质材料15。电池组105被构造为：作为对不符合期望的热事件的响应，触发在活性材料10、15、20中、即在阳极10和/或阴极20中和/或在布置在阳极与阴极之间的电解质材料15中的吸热反应。
为此，将吸热反应240的至少一种反应物引入到活性材料10、15、20中。为此，吸热反应240的至少一种反应物储存在储存器40中。储存器40安装在电化学电池110的外壳上或者安装在电化学电池110的外壳中。经此，可以保证该储存器靠近作用部位。借助于喷嘴50来注入该至少一种反应物。通过控制单元30来控制该注入。
吸热反应优选地是缩聚反应。由于反应焓为负，通过不符合期望的热事件所传播的热量被中和并且借此该不符合期望的热事件结束。
图2示出了锂离子蓄电池的电化学电池110。电化学电池110具有阳极10和阴极20以及布置在阳极与阴极之间的电解质材料15。阳极材料10是石墨，锂可以被嵌入到该石墨中。阴极材料20是钴（III）酸锂（LiCoO2）。也可以使用类似的层状化合物。在放电过程中，锂在阳极10处被氧化并且通过电解质材料15迁移到阴极20。在充电时，发生相反的过程。电池组105被构造为：作为对不符合期望的热事件的响应，触发在活性材料10、15、20中、即在阳极10和/或阴极20中和/或在布置在阳极与阴极之间的电解质材料15中的吸热反应。为此，将所需的反应物注入电解质材料15中，如通过箭头来图解说明的那样。
图3示出了用于结束不符合期望的热事件的方法步骤。首先出现不符合期望的热事件200。不符合期望的热事件尤其可以是超过在至少一个电池组电池中的预先给定的安全关键的温度。这种事件“不符合期望”，因为由此可能得到电池组电池的被称作“热失控（thermal runaway）”或“传播（Propagation）”的失控。
借助于适当的测量装置来探测220该不符合期望的热事件。测量装置或测量设备在电池组运行期间检查不同的运行参数，诸如电压、电流强度和/或温度（U、I和/或T）。这些运行参数U、I和T用于探测热事件的存在。尤其是温度测量设备可以直接探测热事件。
不过，对该不符合期望的热事件的探测220不强制要求该热事件已经发生。在某些情况下，也可通过所查明的参数有足够的把握来推断将发生不符合期望的热事件。例如，电流和/或电压特性曲线的不规则可表明将发生不符合期望的热事件。大的空间上或时间上的温度梯度也可表明将发生不符合期望的热事件。
如果现在已探测到该不符合期望的热事件已经发生或者有足够的把握将发生，则将反应物注入230到该电池或这些电池的活性材料中。吸热反应240将由于该热事件而产生或已经产生的热能中和。因而，阻止250该热事件。
如果该不符合期望的热事件已经发生，则将反应物注入230到该电池或这些电池的活性材料中，作为应对措施。因此，在电池温度超过在至少一个电池组电池中的安全关键的温度极限值之后，例如可以使该电池温度重新降低到该极限值之下。
如果在另一种情况下该不符合期望的热事件还未曾发生，但是有足够的把握将发生，则将反应物注入230到该电池或这些电池的活性材料中，作为预防措施。因此，例如可以防止根本性地超过在至少一个电池组电池中的预先给定的安全关键的温度。
图4示出了按照本发明的一个实施方式的系统。该系统包括充电设备100，借助于该充电设备可以给电池组105充电。该电池组包括电化学电池110。还设置有测量设备。尤其可以借助于电压测量设备111来测量电池组电压。电流测量设备112允许测量当前的电流。还设置有温度测量设备113，以便监控温度。由这些测量设备111、112、113所检测到的信息被传送到控制装置120。这些测量设备在电池组运行期间检查运行参数U、I和T。这些运行参数U、I和T可用于探测热事件的存在。尤其是温度测量设备113可以直接探测热事件。但是，电流和/或电压特性曲线的不规则也可以用于推断不符合期望的热事件的存在。优选地，使用运行参数U、I和T中的全部信息，以便尽可能早地并且有足够的把握地来探测不符合期望的热事件。车辆驾驶员可以通过输出单元、优选地屏幕或显示器130被通知出现未预期到的热事件并且被要求可进行对该电池组的检查，以便例如更新反应物库存。
图5示出了按照本发明的另一实施方式的系统。该系统包括充电设备100，借助于该充电设备可以给电池组105充电。该电池组包括多个电化学电池110a、110b、110c。还在这些电池中的每个电池中设置测量设备。这样，可以借助于电压测量设备111来测量电池组电压。由这些测量设备111、112、113针对电池110a、110b和110c中的每个电池所检测到的信息被传送到控制装置120。这些测量设备在电池组运行期间针对电池110a、110b、110c中的每个电池检查运行参数U、I和T。这些运行参数U、I和T可用于针对电池110a、110b、110c中的每个电池探测热事件的存在。尤其是温度测量设备113可以直接探测热事件。但是，电流和/或电压特性曲线的不规则也可以用于推断不符合期望的热事件的存在。优选地，使用运行参数U、I和T中的全部信息，以便尽可能早地并且有足够的把握地来探测不符合期望的热事件。
附图标记列表
10 阳极
15 电解质材料
20 阴极
30 电子控制单元
40 储存器
50 喷嘴
100 充电设备
105 电池组
110 电化学电池（110a、110b、110c）
111 电压测量设备
112 电流测量设备
113 温度测量设备
120 控制装置/控制设备/控制单元
130 屏幕
200 出现不符合期望的热事件
220 探测不符合期望的热事件
230 注入反应物
240 吸热反应
250 阻止不符合期望的热事件。
Claims (10)
1.一种电池组（105），所述电池组包括至少一个电化学电池（110、110a、110b、110c），其中所述电化学电池（110、110a、110b、110c）具有阳极（10）和阴极（20）以及布置在阳极与阴极之间的电解质材料（15），其特征在于，所述电池组（105）被构造为：作为对不符合期望的热事件（200）的响应，触发在活性材料（10、15、20）中的吸热反应（240）。
2.根据权利要求1所述的电池组（105），其特征在于，作为对所述不符合期望的热事件（200）的响应，将所述吸热反应（240）的反应物引入到所述活性材料（10、15、20）中。
3.根据权利要求2所述的电池组（105），其特征在于，所述吸热反应（240）的至少一种反应物储存在储存器（40）中，作为对所述不符合期望的热事件（200）的响应，将所述反应物从所述储存器引入到所述活性材料（10、15、20）中。
4.根据权利要求3所述的电池组（105），其特征在于，所述储存器（40）安装在所述电化学电池（110、110a、110b、110c）的外壳上或者安装在所述电化学电池（110、110a、110b、110c）的外壳中。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电池组（105），其特征在于，所述吸热反应（240）是低聚反应或缩聚反应。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电池组（105），其特征在于，所述吸热反应（240）具有足够大的正反应焓，以便结束不符合期望的热事件。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电池组（105），其特征在于，所述电池组（105）是锂离子蓄电池。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电池组（105），其特征在于，借助于控制单元（120）来触发所述吸热反应（240）。
9.一种用于在使用根据权利要求1至8中任一项所述的电池组（105）的情况下结束（250）不符合期望的热事件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
- 探测（220）不符合期望的热事件；
- 注入（230）用于吸热反应（240）的反应物。
10.一种汽车，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的电池组（105）。
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